技术科普|传感器关键参数“功耗”
传感器关键参数技术科普
Power
/ 传感器关键参数“功耗” /
功耗是传感器芯片的关键参数之一。在移动设备、可穿戴设备和物联网（IoT）设备中，低功耗传感器芯片可以显著延长电池寿命，降低维护需求，同时减少热量产生，提高系统稳定性。理解该参数有助于我们更好地选择和使用传感器，从而提高最终产品的质量和可靠性。本文将以温度传感器为例，对“功耗”进行深入探讨。
Sensor | Power
功耗
功耗的本质是功率，它等于器件两端电压与器件流过电流之间的乘积。
01
如何表征功耗
功耗的本质是功率，它等于器件两端电压与器件流过电流之间的乘积。但是单纯比较功率数值是无法公平评判不同器件之间的能效优劣关系的，因为器件流过电流往往与器件两端电压成正相关关系。为了更直观地衡量能效差异，业界通常采取在相同工作电压下，比较器件流过电流的大小。因此电流成为了业界主流的功耗（间接）表征参数。
静态电流（quiescent current, IQ）参数源自于电源芯片，指的是器件在空载状态下消耗的电流，亦即器件内部电路所消耗的电流。该电流越小，意味着在产生相同大小的输出电流时，器件所需供电电流（supply current, IDD）越小。
图1. 静态电流的定义（以稳压器为例）
但对于传感器这类无需向外输出功率的器件来说，静态电流属于引申而来的概念。此时它与供电电流是等效参数，都是指的器件内部电路所消耗的电流，属于衡量器件功耗大小的重要电学参数。
02
不同状态下的功耗
新一代传感器多为数字式传感器，通常由感知元件、模数转换器、数据处理单元、定时器和通信接口等模块组成。其中，只有支持连续转换模式的传感器才会配备定时器模块，用于周期性唤醒其余模块，从而启动一次转换。在不同工作状态下，各模块开启情况不同，静态电流也会随之发生变化。
图2. 数字式传感器的通用架构
市面上绝大多数传感器都可以区分为以下三种工作状态：
● 转换状态：开启所有模块，并完成一次对外界环境的测量。
● 空闲状态：仅开启定时器和通信接口模块。一旦定时完成，将切换为转换状态。
● 关断状态：关闭除通信接口以外的所有模块，以获得最小的静态电流。
由此显而易见：转换状态的静态电流 > 空闲状态的静态电流 > 关断状态的静态电流。
只有支持连续转换模式的传感器才会区分空闲状态和关断状态。在此模式下，传感器会每隔固定时间间隔进入一次转换状态，而在其余时间均处于空闲状态。如果切换到单次转换模式，传感器会进入关断状态。此时主机可以借助通信接口来手动唤醒进入转换状态。一旦转换结束，传感器会自动回到关断状态。下图以GX75C为例，展示了不同状态下的静态电流。
图3. 不同状态下的静态电流（以GX75C为例）
对于不支持连续测量模式的传感器而言，因为其内部没有定时器模块，所以不存在空闲状态。主机只能借助通信接口来手动唤醒进入转换状态。一旦转换结束，传感器会自动回到关断状态。下图以GX1833为例，展示了不同状态下的静态电流。
图4. 不同状态下的静态电流（以GX1833为例）
03
如何综合衡量功耗
要想精确描述某个器件的功耗情况，必须完整列举所有工作状态下的静态电流。但是这种表达形式太过冗长，因此业界开始引入平均静态电流的概念。该参数综合考虑了转换时间和各状态下静态电流的影响。借助该参数，我们可以更加公平地评估不同器件的功耗水平。
连续转换模式下的平均静态电流可以通过如下公式计算得到：
平均电流 =（转换电流 * 转换时间 + 空闲电流 * 空闲时间）/ 测量周期
代入图3数据可得：=(40uA*26ms+3uA*54ms)/80ms=15uA @12Hz
而对于单次转换模式而言，每一次转换均由主机手动唤醒，因此并不存在所谓的测量周期。为此我们一般默认主机每隔1s启动一次转换，平均静态电流的计算公式也对应调整为：
平均电流 =（转换电流 * 转换时间 + 关断电流 * (1s - 转换时间) ）/ 1s
代入图3数据可得：=(40uA*26ms+0.5uA*974ms)/1000ms=1.5uA @1Hz
需要注意的是：平均静态电流必须附带测量频率。只有电流值没有测量频率的平均静态电流是没有任何意义的。即GX75C的典型平均静态电流为15uA @12Hz，而非15uA 。
04
如何分辨功耗参数
因为业界对功耗参数并没有统一的命名标准，所以在阅读数据手册时非常容易混淆上述四种静态电流。在这里，中科银河芯为大家总结了一些帮助分辨的小技巧。
阅读说明书识别“功耗”技巧
1、名字带有“静态电流”、“工作电流”或“供电电流”字样的才是功耗参数。而名字带有“输入”或“输出”字样的是I/O引脚输入输出特性参数。
2. 名字或测试条件带有“平均”、“每秒转换x次”字样的一定是平均静态电流。
3. 名字或测试条件带有“转换”字样的大概率是转换状态的静态电流。
4. 转换状态的静态电流一般在几十至几百uA量级，部分老旧型号可能在mA量级。
5. 名字或测试条件带有“关断”字样的大概率是关断状态的静态电流。
6. 关断状态的静态电流一般在1uA上下。
7. 如果传感器仅支持单次测量，那么名字或测试条件带有“待机”、“空闲”、“关断”字样的大概率是关断状态的静态电流。（因为不存在空闲状态，具体原因在前面已经介绍）
8. 如果测试条件区分了“总线空闲”和“总线占用”或者“总线未激活”和“总线激活”，那么一定选择“空闲”或“未激活”那项，因为通信过程会引入额外的功耗。
拥有了上述的“功耗”辨别技巧，工程师们在电路设计的过程中就可以优选到低功耗、高精度性能更卓越的产品，“功耗”的神秘面纱也就向大家彻底打开了。
关于我们/ OUR STORY
中科银河芯产品聚焦于模拟信号链细分领域，公司产品涉及温度传感器、温湿度传感器、单总线产品、压力、信号调理、马达驱动、时钟芯片等。公司近些年在温度传感器芯片、温湿度传感器芯片方面取得了创新化技术进阶，产品适应新形势下器件的高精度、低功耗、小体积、高可靠性的性能特点。
中科银河芯充分利用研发工程师的技术储备优势从产品方案设计端来实现智能传感器的创新优化，为用户提供实际切实的高品质产品，不断升级产品精度、转换速度、可靠性及一致性，解决用户在实际应用中的痛点，在当前高端、细分化的传感器市场竞争中展现企业技术实力。
高精度低功耗温度传感器GXT311
其平均功耗可达1.3uA@1Hz，数据手册
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